杜生鑫(1998), 男, 硕士在读, 研究方向为电池管理系统(E-mail:
金阳(1989), 男, 博士, 教授, 研究方向为电化学储能电站安全性和电池储能技术
锂离子电池在运行时存在热失控风险,极端情况下甚至引起电池舱起火或爆炸等安全事故。有效的电池舱风冷散热系统可以有效抑制电池热量的积累和扩散,然而现有的电池舱风冷系统结构简单,散热效率低。文中提出在电池舱安装导流板改变舱内温度场和流场,达到优化散热系统的目的。结果表明,在环境温度25 ℃、风速4 m/s的条件下,对1 C充电的电池舱进行风冷散热,增设单导流板可使电池舱内的平均温度降低2.9 ℃,最高温度降低4.5 ℃;增设双导流板可以使电池舱内的平均温度降低5.5 ℃,最高温度降低8.6 ℃。合理的导流板布置可以优化电池舱的风冷散热系统,提高散热效率,增加电池舱运行的安全性。
For the purpose of investigating the air-cooling heat dissipation system of lithium-ion battery cabin, based on the simulation model of the actual battery cabin, the optimization scheme of air-cooling heat dissipation is designed. Due to the thermal characteristics of lithium-ion batteries, safety accidents like fire and explosion happen under extreme conditions. Effective thermal management can inhibit the accumulation and spread of battery heat. However, the existing battery cabin air cooling system is relatively simple and the heat dissipation efficiency is low. In order to optimize the heat dissipation system, deflectors are installed in the battery cabin to change the temperature field and flow field in the cabin. When the environment temperature is 25 ℃ and the wind speed is 4 m/s, the air-cooling heat dissipation system of 1 C charging battery cabin is conducted. The results show that by adding one deflector can reduce the average and the maximum temperature in the battery cabin by 2.9 ℃ and 4.5 ℃ respectively. Adding two deflectors can reduce the average and the maximum temperature in the battery cabin by 5.5 ℃ and 8.6 ℃ respectively. Reasonable deflector arrangement can optimize the air-cooling heat dissipation system, improving the heat dissipation efficiency and the safety of battery cabin operation.
随着“双碳”目标的提出,新型电化学储能技术和储能行业发展迅速。锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长和对环境友好等优良特性成为储能电池舱主要选择的电池种类之一[
风冷散热凭借其原理简单、操作便捷、成本较低的特点成为储能电池舱的主要散热方式。然而传统的电池舱散热系统相对简单、散热效率低,且电池舱内温度分布不均匀,长期运行会导致电池模组间一致性变差,严重影响电池模组的使用寿命,增加其热失控的可能性,造成能源损耗和经济浪费。
目前对于电池散热的研究更侧重于改变强制风冷条件和风道设计,对于在电池舱内增设导流板的研究依然较少。文献[
基于此,文中利用SolidWorks、Ansys软件针对现有电池舱风冷散热能力较差的问题[
文中通过对电池舱的温度场进行数值模拟,研究电池模组的发热特性。依据相关理论和公式,对电池舱风冷散热系统提出优化设计方案。
文中选择的电池生热计算模型[
式中:
对于电池模组的单位体积生热率
式中:
对于电池模组比热容
式中:
文中根据测量得到所采用的磷酸铁锂单体电池比热容为1 329 J/(kg ·K)。通过实验测量和公式计算得出文中采用的磷酸铁锂电池模组在1 C工况下充电时的生热率为13 757.2 W/m3。
物体间的传热方式主要包含热传导、热对流和热辐射3种。电池传热过程中,热传导主要发生在电池内部,热对流主要发生在电池模组和空气接触面,热辐射传递的热量相对较少,可以忽略不计。
电池内部的热传导通过内部材料传递,包括集流体、电极材料、隔膜和电解液这些物质。电池内部的热传导主要通过固体物质,因此可以忽略发生在电解液中的热传导,则电池热传导的能量方程[
式中:▽2
电池的热对流主要通过电池模组表面和空气接触进行实现。电池表面与外界的热对流情况可以使用牛顿冷却定律[
式中:
电池舱风冷散热的热量交换主要发生在电池模组和空气接触面。要研究电池舱的风冷散热情况,则需要建立电池舱流固耦合模型,分析电池模组表面和空气之间的传热关系。
流固耦合的传热表达式为[
式中:
根据流固耦合传热表达式,文中选择
文中模型按照实际储能舱1 ∶1比例建立,采用SolidWorks软件对电池舱建立基本模型[
电池舱模型结构
Battery cabin model structure
同时,为优化改良电池舱的散热效果,在电池舱顶部增加导流板,导流板宽度选择500 mm。导流板可对吹进的空气起到阻挡作用,改变空气流向,改善电池舱内气体流场。设计时分别为电池舱增加单导流板和增加双导流板2种不同的优化方式。2种不同增加导流板的电池舱模型布局方式如
2种优化电池舱模型
Two optimized battery cabin models
文中所采用的电池模组由32块单体磷酸铁锂电池组成。电池模组额定电压为25.6 V,额定容量为344 A ·h,额定电量为8.8 kW ·h,宽420 mm,深600 mm,高240 mm。电池模组由于内部构造的复杂,其在不同方向上的材料分布不同,导热系数也有所差别。根据文献[
磷酸铁锂电池模组的热物性参数
Thermal physical properties of lithium iron phosphate battery module
组件 | 导热系数/[W·(m·K)-1] | 密度/(kg·m-3) | 比热容/[J·(kg·K)-1] |
外壳(铝) | 238 | 2 702 | 903 |
模组( |
3.72 | 2 405 | 1 329 |
模组( |
26 | 2 405 | 1 329 |
模组( |
28 | 2 405 | 1 329 |
通过对电池模组表面积的数值计算可得到电池散热面积为178.85 m2。将电池舱内部求解器设置为流固耦合场,可以直接使用对流换热条件,简化操作[
仿真模型边界条件的设置主要包括温度、速度以及压力等方面。进口边界条件为速度进口,风速为4 m/s,进口空气温度与环境温度设置一致,取25 ℃。出口边界条件为压力出口且抑制回流[
使用Fluent模块仿真计算收敛后,可以得到基本电池舱模型的散热面温度云图,如
基本电池舱温度
Temperature of basic battery cabin
由
基本电池舱电池簇区域平均温度曲线
Average temperature curve of battery cluster area in basic battery cabin
电池簇区域的平均温度最高值出现在中间位置,为56.2 ℃。最低值出现在电池舱边缘位置,为39.91 ℃。这是由于空气从入口进入到从出口流出的过程中,在电池舱内形成涡流。位于电池舱边缘区域的流场速度更快,可与电池模组进行更好的热量交换,在电池舱中心区域的流场效果比较微弱,无法与电池模组形成良好的热量交换,结合流场流线图也可以验证这一观点,如
基本电池舱流线
Streamline of basic battery cabin
由
为使电池舱获得更好的散热能力,可增强电池模组和空气的热量交换强度。通过合理的布置导流板,电池舱内流场发生改变,使其更加均匀分布,使空气和电池模组得到更充分的接触。
通常电池舱的进出风口都被安置在上部靠近顶端的位置,这时气流只会在电池舱上方流通,很难与电池舱下方气体进行对流,使得位于电池舱下部的模组散热效果不理想。在电池舱顶部安装导流板,阻止空气径直从出风口流出,改变气体流向,使气体能在整个电池舱流动,使电池模组能有更好的散热效应。增加单导流板后的电池舱模型散热面温度如
单导流板电池舱温度
Temperature of battery cabin with single deflector
由
单导流板电池舱电池簇区域平均温度曲线
Average temperature curve of battery cluster area in battery cabin with single deflector
由
当空气从入口进入电池舱后,流道被导流板阻挡,人为更改空气的流向,使其不得不向电池舱下半部流动,与电池模组进行更充分的热量交换,结合流场流线图也可以验证这一观点,其流场流速如
单导流板电池舱流线
Streamline of battery cabin with single deflector
由
为解决电池舱后半段仍有部分区域温度过高的情况,在电池舱出气口附近额外添加单导流板,以达到均匀流场的目的。后方的导流板可阻碍空气在电池舱后半部分形成涡流,改变空气流向,使空气和电池模组有更充分的接触。增加双导流板后的电池舱模型散热面温度云图如
双导流板电池舱温度
Temperature of battery cabin with double deflectors
由
双导流板电池舱电池簇区域平均温度曲线
Average temperature curve of battery cluster area in battery cabin with double deflectors
由
由于增加双导流板会使电池舱内的流场情况更加复杂,增强空气和电池模组之间的热量交换,使电池舱内的平均温度相较于单板的情况进一步降低。流场流速如
双导流板电池舱流线
Streamline of battery cabin with double deflectors
由
文中以某型电池舱锂离子电池储能系统为研究对象,基于SolidWorks、Ansys软件对其风冷散热进行分析及优化。得出如下结论:
(1) 对电池舱添加风冷散热系统,可使电池舱内电池模组得到冷却,但是受限于电池舱内的结构,空气在电池舱内只能形成简单的循环,电池模组无法得到均匀的散热。处于电池舱中心区域的电池模组会产生更高的温升,中心区域最高温度为57.15 ℃。长时间运行后,处于中心区域的电池模组的使用寿命会被缩短,电池模组间的一致性更差,影响电池舱的正常运行。
(2) 在电池舱内增加单导流板后,空气在电池舱内的流场情况变得复杂。空气在电池舱内形成2个主要循环,与电池模组获得更多的接触,可以进行更充分的热量交换。电池舱内的平均温度降低2.9 ℃,最高温度降低4.5 ℃,并且最高温度出现的区域更小。电池簇区域的高低温差降低2.4 ℃,电池模组的温度分布变得平均,电池舱的风冷散热效果得到改善。
(3) 在电池舱内增加双导流板后,空气在电池舱内的流场情况变得更加复杂。空气在电池舱内形成多个循环,与电池模组之间的热量交换更充分。电池舱内的平均温度降低5.5 ℃,最高温度降低8.6 ℃,且最高温度出现的区域更小。电池簇区域的高低温差降低4.8 ℃,电池模组间的温升变得平均,电池舱的风冷散热效果得到改善。
在电池舱内合理地安装导流板,可以有效改变电池舱内的流场情况,使空气可以与电池模组进行更充分的热量交换,进而改变电池模组的温度分布情况。电池舱内的平均温度得到降低,温度分布更加的均匀,电池模组间的温差更小,一致性更好,一定程度上提高电池模组的使用寿命。
优化后的电池舱风冷散热系统,可以抑制锂离子电池模组发生热失控现象,提高储能电池舱运行的安全性,延长电池使用寿命,提高电池舱风冷散热的经济性。
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